JP2018049916A - 光源システム及び車両用灯具 - Google Patents

Abstract

【課題】故障が発生する前に駆動対象のレーザ素子を他のレーザ素子に切り替えることが可能な高信頼性の光源システム及び車両用灯具を提供する。【解決手段】駆動回路によって駆動対象とされたレーザ素子ＬＥ１又はＬＥ２からの出力光ＬＯの経時変化又はレーザ素子ＬＥ１の駆動電流の経時変化に基づいて、レーザ素子ＬＥ１又はＬＥ２の光学損傷の発生を予測する故障予測回路４３を有し、故障予測回路４３によってレーザ素子ＬＥ１又はＬＥ２の光学損傷の発生が予測された場合、駆動回路は、他のレーザ素子を駆動対象とする。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体レーザを含む光源システム及び車両用灯具に関する。

半導体レーザは、種々の用途に用いられる光源であり、近年では投光器や車両用ヘッドラップなどの照明用途にも用いられている。例えば、照明用の光源として半導体レーザを用いる場合、半導体レーザからの出射光を蛍光体に入射させることで、所望の波長（発光色）の光が照明光として外部に取り出される。例えば、特許文献１には、半導体レーザなどの励起光源と、蛍光体を含む光変換部材とを含む発光装置が開示されている。

特許5155555号

半導体レーザは、小型かつ高出力な光源である一方で、突発的な光出射端面の光学損傷であるＣＯＤ（Catastrophic Optical Damage）を起こすことで知られている。半導体レーザを光源として用いる場合、このＣＯＤの発生を考慮したシステム構成が求められる。

本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、半導体レーザ光源の動作を監視してＣＯＤなどの故障の発生を予測し、故障が発生する前に駆動対象のレーザ素子を他のレーザ素子に切り替えることが可能な高信頼性の光源システム及び車両用灯具を提供することを目的としている。

本発明による光源システムは、複数の半導体レーザ素子を含むレーザ光源を有する光源装置と、複数の半導体レーザ素子のうちの１の半導体レーザ素子を駆動対象とし、１の半導体レーザ素子を、一定の光出力に保つ定出力駆動モードで駆動する駆動回路と、駆動回路による１の半導体レーザ素子の駆動電流Ｉ_opの経時変化Ｉ_op（ｔ）について、１の半導体レーザ素子の駆動開始時の駆動電流値をＩ_c、定数をｋ、時間をｔ、指数をαとして、

に示す式に従って経時変化したと判定し、式（１）の指数αが、α＞１であり、かつｄα／ｄｔ＞０を満たす変化状態が所定時間続いた場合に、１の半導体レーザ素子における光学損傷の発生を予測する故障予測回路と、を有し、故障予測回路によって１の半導体レーザ素子の光学損傷の発生が予測された場合、駆動回路は、複数の半導体レーザ素子のうちの他の半導体レーザ素子を駆動対象とすることを特徴としている。

また、本発明による光源システムは、複数の半導体レーザ素子を含むレーザ光源を有する光源装置と、複数の半導体レーザ素子のうちの１の半導体レーザ素子を駆動対象とし、１の半導体レーザ素子を、一定の駆動電流に保つ定電流駆動モードで駆動する駆動回路と、１の半導体レーザ素子の光出力Ｐ_outの経時変化Ｐ_out（ｔ）について、１の半導体レーザ素子の駆動開始時の光出力をＰ₀、定数をｋ、時間をｔ、指数をαとして、

に示す式に従って経時変化したと判定し、式（２）の指数αが、α＞１であり、かつｄα／ｄｔ＞０を満たす変化状態が所定時間続いた場合に、１の半導体レーザ素子における光学損傷の発生を予測する故障予測回路と、を有し、故障予測回路によって１の半導体レーザ素子の光学損傷の発生が予測された場合、駆動回路は、複数の半導体レーザ素子のうちの他の半導体レーザ素子を駆動対象とすることを特徴としている。

また、本発明による光源システムは、互いに光学的に結合されかつ並置された複数の半導体レーザ素子を含むレーザ光源と、レーザ光源からのレーザ光の波長を変換する波長変換装置と、を有する光源装置と、複数の半導体レーザ素子のうちの１の半導体レーザ素子を駆動対象とし、１の半導体レーザ素子を、一定の駆動電流に保つ定電流駆動モードで駆動する駆動回路と、１の半導体レーザ素子又は波長変換装置の光出力Ｐ_outの経時変化Ｐ_out（ｔ）について、１の半導体レーザ素子又は波長変換装置の駆動開始時の光出力をＰ₀、定数をｋ、時間をｔ、指数をαとして、

に示す式に従って経時変化したと判定し、数式（２）の指数αが、α＞１であり、かつｄα／ｄｔ＞０を満たす変化状態が所定時間続いた場合に、１の半導体レーザ素子における光学損傷の発生を予測する故障予測回路と、を有し、故障予測回路によって１の半導体レーザ素子の光学損傷の発生が予測された場合、駆動回路は、複数の半導体レーザ素子のうちの他の半導体レーザ素子を駆動対象とすることを特徴としている。

実施例１に係る光源システムの構成を模式的に示す図である。 （ａ）は、実施例１に係る光源システムにおけるレーザ光源の模式的な斜視図であり、（ｂ）は、制御回路の構成を示すブロック図である。 （ａ）及び（ｂ）は、実施例１に係る光源システムの故障予測回路がＣＯＤの発生を判定する際に用いる指数関数モデルを模式的に示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は、実施例１に係る光源システムの故障予測回路がＣＯＤの発生を判定する際に用いる指数関数モデルを模式的に示す図である。 実施例１の変形例に係る光源システムにおけるレーザ光源の模式的な斜視図である。

以下、本発明の実施例について詳細に説明する。

図１は、実施例１に係る光源システム１０の構成を模式的に示す図である。光源システム１０は、光源装置２０、光源装置２０を駆動する駆動回路３０及び駆動回路３０の駆動制御を行う制御回路４０を含む。光源システム１０は、例えば、車両用灯具を構成する。光源システム１０は、例えば自動車用のヘッドランプシステムを構成する。

本実施例においては、光源装置２０は、レーザ光Ｌ１を生成及び出射するレーザ光源２１と、レーザ光Ｌ１の波長を変換して波長変換光Ｌ２を生成する波長変換装置２２と、波長変換光Ｌ２を成形して成形光Ｌ３を生成するレンズ２３とを含む。本実施例においては、光源装置２０は、レーザ光源２１、波長変換装置２２及びレンズ２３を収容する筐体２４を有する。また、光源装置２０からは、レンズ２３によって成形された成形光Ｌ３が外部に取り出される。すなわち、レンズ２３は成形光Ｌ３である成形された波長変換光Ｌ２を外部に出力する。

駆動回路３０は、レーザ光源２１を駆動する。具体的には、駆動回路３０は、レーザ光源２１を駆動する駆動電流（駆動信号）ＤＣを生成する。レーザ光源２１は、駆動回路３０によって印加された駆動電流によって駆動される（発光動作を行う）。

制御回路４０は、レーザ光源２１又は波長変換装置２２からの出力光ＬＯ（レーザ光Ｌ１又は波長変換光Ｌ２）と、駆動回路３０によって生成されたレーザ光源２１の駆動電流ＤＣとを監視し、これらの監視結果に基づいて駆動回路３０によるレーザ光源２１の駆動の制御を行う。

図２（ａ）は、レーザ光源２１の模式的な斜視図である。レーザ光源２１は、パッケージ（図示せず）内に収容された複数の半導体レーザ素子（本実施例においては２つの半導体レーザ素子ＬＥ１及びＬＥ２）を含む。本実施例においては、レーザ光源２１は、互いに光学的に結合され、互いに並置された複数の半導体レーザ素子（第１及び第２の半導体レーザ素子）ＬＥ１及びＬＥ２を含む。

より具体的には、レーザ光源２１は、半導体レーザ素子（以下、単にレーザ素子と称する）ＬＥ１及びＬＥ２に共通の搭載基板５１及び半導体構造層５２を有する。半導体構造層５２は、搭載基板５１上に形成され、互いに対向する端面ＥＳ１及びＥＳ２によって共振器を構成する。本実施例においては、レーザ光源２１は、端面ＥＳ１をレーザ光Ｌ１の出射面とし、端面ＥＳ１が波長変換装置２２及びレンズ２３の入射面に対向するように配置されている。なお、端面ＥＳ１及びＥＳ２には、それぞれ所望の反射率を得るために反射鏡（図示せず）が形成されていてもよい。

本実施例においては、搭載基板５１は、ｎ型の導電型（第１の導電型）を有する半導体基板である。また、半導体構造層５２は、搭載基板５１上に、ｎ型半導体層５２Ａ、発光層５２Ｂ及びｐ型（第２の導電型）半導体層５２Ｃがこの順で順次積層された構造を有する。

また、レーザ光源２１は、レーザ素子ＬＥ１及びＬＥ２の各々に対応し、半導体構造層５２の上面に形成されて対向する端面ＥＳ１及びＥＳ２間にストライプ状に延びる複数のリッジ部（第１及び第２のリッジ部）５４Ａ及び５４Ｂを有する。本実施例においては、リッジ部５４Ａ及び５４Ｂは、ｐ型半導体層５２Ｃの上面に形成され、端面ＥＳ１及びＥＳ２間に延びる２つのストライプ状の凸部である。

リッジ部５４Ａ及び５４Ｂは、間隔Ｗで互いに離間して平行に形成されている。なお、リッジ部５４Ａ及び５４Ｂの延在方向、すなわち端面ＥＳ１及びＥＳ２の対向方向は、レーザ素子ＬＥ１及びＬＥ２における共振器長方向（光の共振方向）ＲＤである。

また、リッジ部５４Ａ及び５４Ｂを除く半導体構造層５２の上面上には、絶縁層５３が形成されている。また、レーザ光源２１は、それぞれリッジ部５４Ａ及び５４Ｂ上に形成され、レーザ素子ＬＥ１及びＬＥ２に対応する個別電極５５Ａ及び５５Ｂと、搭載基板５１上に形成され、レーザ素子ＬＥ１及びＬＥ２に共通の共通電極５６とを有する。本実施例においては、個別電極５５Ａ及び５５Ｂはそれぞれｐ電極であり、共通電極５６はｎ電極である。

個別電極５５Ａ及び５５Ｂは、互いに離間しており、互いに絶縁されている。従って、個別電極５５Ａ及び共通電極５６間に電流を印加するか、又は個別電極５５Ｂ及び共通電極５６間に電流を印加するかに応じて、レーザ素子ＬＥ１及びＬＥ２は、それぞれ独立して発光動作を行うように構成されている。このように、レーザ光源２１は、独立して駆動されることが可能な２つのレーザ素子ＬＥ１及びＬＥ２を含む。

また、駆動回路３０は、レーザ素子ＬＥ１及びＬＥ２のうちの１のレーザ素子を駆動対象とし、当該駆動対象のレーザ素子を駆動するように構成されている。また、駆動回路３０は、駆動対象素子を、一定の光出力に保つ駆動モードである定出力駆動モード（ＡＰＣ（Automatic Power Control）モード）で駆動するか、又は一定の駆動電流値で駆動する駆動モードである定電流駆動モード（ＡＣＣ（Automatic Current Control）モード）で駆動するように構成されている。

なお、定出力駆動モードは、例えばレーザ光源２１からの出力光ＬＯの光出力を一定に保つように駆動電流を増減させる駆動モードである。また、定電流駆動モードは、駆動電流ＤＣを一定に保つ駆動モードである。また、本実施例においては、駆動回路３０の駆動対象の選択及び駆動モードの選択は、後述するように制御回路４０からの制御信号ＣＳによって行われる。

なお、リッジ部５４Ａ及び５４Ｂ間の間隔Ｗは、１４０μｍ以下である。間隔Ｗを１４０μｍ以下とすることで、レンズ２３をレーザ素子ＬＥ１及びＬＥ２で共用することができる。すなわち、レーザ素子ＬＥ１及びＬＥ２のいずれからのレーザ光Ｌ１であっても１つのレンズ２３を用いて同様の配光形状に成形することができる。従って、光源システム１０が小型化される。

本実施例においては、レーザ光源２１は、ＧａＮ系半導体材料からなる。搭載基板５１は、例えばＧａＮの組成を有する。半導体構造層５２は、例えばＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成を有する。

なお、波長変換装置２２は、例えばイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）からなる蛍光体を含有する蛍光体プレートである。すなわち、本実施例においては、レーザ光源２１から出射されるレーザ光Ｌ１は青色光である。また、波長変換装置２２から出射される波長変換光Ｌ２は、レーザ光Ｌ１である青色光と、レーザ光の蛍光体への入射によって生成された黄色光との混色により生成された白色光である。

図２（ｂ）は、制御回路４０の構成を示すブロック図である。制御回路４０は、レーザ光源２１又は波長変換装置２２からの出力光ＬＯ（レーザ光Ｌ１又は波長変換光Ｌ２）を監視する出力光監視回路４１と、駆動回路４２によって生成されたレーザ光源２１の駆動電流ＤＣを監視する駆動電流監視回路４２とを有する。出力光監視回路４１は、例えば光検出器を含む。駆動電流監視回路４２は、例えば電流計を含む。

また、制御回路４０は、出力光ＬＯの経時変化及び駆動電流ＤＣの経時変化に基づいて、レーザ素子ＬＥ１又はＬＥ２の光学損傷であるＣＯＤ（Catastrophic Optical Damage）を予測する故障予測回路４３を有する。故障予測回路４３は、出力光ＬＯの光出力の経時変化及び／又は駆動電流ＤＣの電流値の経時変化に基づいて、駆動回路３０によって駆動されているレーザ素子にＣＯＤが発生することを予測する。

また、制御回路４０は、故障予測回路４３による予測結果に基づいて、駆動回路３０によるレーザ光源２１の駆動の制御を行う駆動制御回路４４を有する。駆動制御回路４４は、レーザ光源２１の駆動対象素子の制御（選択）を行う制御信号ＣＳを生成し、駆動回路３０に供給する。

具体的には、本実施例においては、レーザ光源２１は、レーザ素子ＬＥ１及びＬＥ２のいずれかを駆動対象の素子（現用素子）とし、他のレーザ素子を予備素子（待機素子）とする冗長構成を有する。例えば、駆動制御回路４４は、故障予測回路４３によって駆動対象のレーザ素子の故障が予測された場合、駆動回路３０に対し、他のレーザ素子を駆動対象として選択して駆動させる制御を行う。

従って、故障予測回路４３によって駆動対象のレーザ素子（例えばレーザ素子ＬＥ１）の光学損傷の発生が予測された場合、駆動回路３０は、レーザ光源２１内のレーザ素子ＬＥ１及びＬＥ２のうちの他のレーザ素子（例えばレーザ素子ＬＥ２）を駆動対象として駆動する。

また、制御回路４０は、故障予測回路４３によって駆動対象素子にＣＯＤが発生することが予測されたことを示す情報を外部に通知する通知回路４５を有する。例えば、通知回路４５は、駆動されていたレーザ素子がＣＯＤの発生直前であり、他のレーザ素子が駆動対象素子となったこと、レーザ光源２１の交換時期が近づいていることなどを外部（例えば自動車のドライバなど）に通知する。

なお、本実施例においては、駆動制御回路４４は、レーザ光源２１の駆動対象の切替制御に加え、駆動モードの切替制御を行う制御信号ＣＳを駆動回路３０に供給する。本実施例においては、駆動制御回路４４は、駆動回路３０に対し、選択したレーザ素子（駆動対象素子）を定出力駆動モード（ＡＰＣモード）で駆動させるか、又は定電流駆動モード（ＡＣＣモード）で駆動させるかを指示する制御を行う。

また、駆動制御回路４４は、駆動回路３０に対し、レーザ光源２１の初期の駆動対象素子（システム起動時の駆動対象素子）及び初期の駆動モード（システム起動時の駆動モード）を設定する制御を行う。例えば、駆動制御回路４４は、駆動回路３０に対し、初期駆動対象素子をレーザ素子ＬＥ１とし、初期駆動モードを定出力駆動モードとする制御を行うことができる。

次に、図３（ａ）及び（ｂ）並びに図４（ａ）及び（ｂ）を用いて、故障予測回路４３による故障予測動作の詳細について説明する。まず、故障予測回路４３は、レーザ光源２１の駆動モードに応じて異なる予測基準を有し、この予測基準に基づいた駆動対象素子の故障予測を行う。
［定出力駆動モード（ＡＰＣモード）で駆動する場合］
まず、レーザ光源２１内の駆動対象素子（本実施例においてはレーザ素子ＬＥ１及びＬＥ２のうちの１つのレーザ素子）が定出力駆動モード（ＡＰＣモード）で駆動している場合、すなわち駆動制御回路４４によって駆動回路３０が定出力駆動モードでの駆動を行っている場合、故障予測回路４３は、駆動電流ＤＣが加速度的に増加する場合に駆動対象の素子のＣＯＤの発生を予測する。

具体的には、故障予測回路４３は、定出力駆動モードの場合、駆動対象素子の駆動電流値Ｉ_opの経時変化Ｉ_op（ｔ）について、駆動対象素子の駆動開始時の駆動電流ＤＣの電流値をＩ_c、定数をｋ、時間をｔ、指数をαとして、以下の式（１）に従って経時変化したと判定する。

そして、故障予測回路４３は、所定の時間ｔを基準とした時間経過及び駆動電流値Ｉｏｐの変化（Ｉ_op（ｔ））を記録することで、指数αを求める。故障予測回路４３は、この指数αが、α＞１であり（予測条件１）、かつｄα／ｄｔ＞０を満たす変化状態が所定時間続いた（予測条件２）場合、駆動対象素子におけるＣＯＤの発生を予測する（すなわちＣＯＤが発生する直前であると判定する）。

なお、予測条件２については、例えば判定期間（上記の「所定期間」に対応する）を１時間として指数αの変化を小数点第１位まで算出した際にｄα／ｄｔ＞０の関係を満たす（例えば１時間以内に２回以上ｄα／ｄｔ＞０となる）場合にＣＯＤの発生を予測することができる。また、この判定期間は、確実にＣＯＤの発生を予測すること（すなわち実際にＣＯＤが発生する前に上記判定を行うこと）を考慮すると、例えば０．１時間〜１００時間の範囲内で設定されることが好ましい。

図３（ａ）は、式（１）における指数αの変化に応じた駆動電流値Ｉ_opの経時的な増加比を示す図である。例えば、α＝０の場合、駆動電流Ｉ_opは増減しない。また、α＝１の場合、駆動電流値Ｉ_opは線形的に増加する。しかし、αが１を超えると、駆動電流値Ｉ_opは指数関数的に増加していく。故障予測回路４３は、駆動電流Ｉ_opの変化（Ｉ_op（ｔ））を所定時間毎に記録することで式（１）の指数αを求め、求められた指数αに従って経時変化したことを判定し続ける。

図３（ｂ）は、故障予測回路４３によって判定された駆動電流値Ｉ_opの経時変化例をモデル化した図である。故障予測回路４３は、例えば、駆動時間ｔが駆動開始から時間ｔ１まではほとんど駆動電流値Ｉ_opに変化がなく（Ｉ_op（ｔ）＝Ｉ_cの状態が続き）、この期間は式（１）で指数α＝０の期間と近似した。この期間は予測条件１を満たしていないため、故障予測回路４３はＣＯＤの発生を予測しない。

故障予測回路４３は、時間ｔ１以降も、所定時間毎に駆動電流値Ｉ_opの変化に基づいて指数αの近似及び電流値変化Ｉ_op（ｔ）のモデル化を行っていく。そして、図３（ｂ）に示す例では、時間ｔ３以降、それ以前よりも短い間隔で駆動電流値Ｉ_opが指数関数的に増加していき、近似された指数αが徐々に増加していく。故障予測回路４３は、ｔ４のタイミングで、上記した予測条件１及び２の両方が満たされ、駆動対象素子にＣＯＤが発生することを予測判定する。

なお、時間ｔ２〜ｔ３の期間では、指数αはα＝１．３と求められて予測条件１を満たすが、指数αは一定時間１．３の状態を維持する（ｄα／ｄｔ＝０の状態が一定時間続く）ために予測条件２を満たさない。同様に、時間ｔ３〜ｔ４の期間でも、αが１．４であるので予測条件１を満たすが、指数αが１．４の状態が予測条件２の条件期間よりも長く維持されるために予測条件２を満たさない。従って、故障予測回路４３は時間ｔ２やｔ３のタイミングでは故障を予測しない。すなわち、故障予測回路４３は、時間ｔ２やｔ３のタイミングではまだＣＯＤの発生直前ではないと判定する。

なお、半導体レーザを定出力駆動モードで駆動する場合、半導体レーザの故障は、ＣＯＤの他、熱暴走によっても生ずることが知られている。これに対し、本願の発明者は、熱暴走による素子の故障が所定の駆動電流値Ｉ_fで生ずることを見出した。具体的には、熱暴走によるレーザ素子の故障が発生する駆動電流値（熱暴走発生電流値）Ｉ_fは、レーザ素子（駆動対象素子）の特性温度をＴ₀、熱抵抗をＲ_th、電気抵抗（シリーズ抵抗）をＲとすると、以下の式（３）で表すことができる。

また、図３（ｂ）に示すように、故障予測回路４３を用いて上記したようなＣＯＤの発生予測を行う場合、この熱暴走が発生するタイミング（熱暴走が発生し得る駆動電流値Ｉ_fに達するタイミング）は、ＣＯＤの予測タイミングよりも遅い。従って、故障予測回路４３は、上記した予測条件１及び２に加え、駆動電流値Ｉ_dが所定の電流値未満である（駆動電流値Ｉ_d＜熱暴走発生電流値Ｉ_f（予測条件３）を満たす）場合にＣＯＤの発生の予測を確定する。

これによって、ＣＯＤの予測精度が向上し、より確実にＣＯＤの発生を予測することができる。これにより、故障予測回路４３は、駆動電流値Ｉ_opが熱暴走発生電流値Ｉ_fに達するまで予測条件１及び２を満たさなかった場合、熱暴走による駆動対象素子の故障を予測することができる。
［定電流駆動モード（ＡＣＣモード）で駆動する場合］
次に、レーザ光源２１の駆動対象素子が定電流駆動モード（ＡＣＣモード）で駆動している場合、すなわち駆動制御回路４４によって駆動回路３０が定電流駆動モードでの駆動を行っている場合、故障予測回路４３は、出力光ＬＯの光出力Ｐ_outが加速度的に低下する場合に駆動対象素子にＣＯＤが発生することを予測する。

具体的には、故障予測回路４３は、定電流駆動モードの場合、駆動対象素子又は波長変換装置２２の光出力Ｐ_outの経時変化Ｐ_out（ｔ）について、駆動対象素子又は波長変換装置２２の駆動開始時の光出力をＰ₀、定数をｋ、時間をｔ、指数をαとして、以下の式（２）に従って経時変化したと判定する。

そして、故障予測回路４３は、所定の時間ｔを基準とした時間経過及び光出力Ｐ_outの変化（Ｐ_out（ｔ））を記録することで、指数αを求める。故障予測回路４３は、この指数αが、α＞１であり（予測条件４）、かつｄα／ｄｔ＞０を満たす変化状態が所定時間続いた（予測条件５）場合、駆動対象素子におけるＣＯＤの発生を予測する（すなわちＣＯＤが発生する直前であると判定する）。

なお、予測条件５については、例えば判定期間（上記の「所定期間」に対応する）を１時間として指数αの変化を小数点第１位まで算出した際にｄα／ｄｔ＞０の関係を満たす（例えば１時間以内に２回以上ｄα／ｄｔ＞０となる）場合にＣＯＤの発生を予測することができる。また、この判定期間は、確実にＣＯＤの発生を予測すること（すなわち実際にＣＯＤが発生する前に上記判定を行うこと）を考慮すると、例えば０．１時間〜１００時間の範囲内で設定されることが好ましい。

図４（ａ）は、式（２）における指数αの変化に応じた光出力Ｐ_outの経時的な低下比を示す図である。例えば、α＝１の場合、光出力Ｐ_outは線形的に低下する。しかし、αが１を超えると、光出力Ｐ_outは指数関数的に低下していく。故障予測回路４３は、光出力Ｐ_outの変化（Ｐ_out（ｔ））を所定時間毎に記録することで式（２）の指数αを求め、求められた指数αに従って経時変化したことを判定し続ける。

図４（ｂ）は、故障予測回路４３によって判定された光出力Ｐ_outの経時変化例をモデル化した図である。故障予測回路４３は、例えば、駆動時間ｔが駆動開始から時間ｔ１まではほとんど光出力Ｐ_outに変化がなく（Ｐ_out（ｔ）＝Ｐ₀の状態が続き）、この期間は式（２）で指数α＝０の期間と近似した。この期間は予測条件４を満たしていないため、故障予測回路４３はＣＯＤの発生を予測しない。

故障予測回路４３は、時間ｔ１以降も、所定時間毎に光出力Ｐ_outの変化に基づいて指数αの近似及び光出力変化Ｐ_out（ｔ）のモデル化を行っていく。そして、図４（ｂ）に示す例では、時間ｔ３以降、短い間隔で光出力Ｐ_outが指数関数的に低下していき、近似された指数αが増加していく。故障予測回路４３は、ｔ４のタイミングで、上記した予測条件４及び５の全てが満たされ、駆動対象素子にＣＯＤが発生することを予測する。

なお、故障予測回路４３は、定出力駆動モードと同様に、予測条件４及び５の両方を満たさなければＣＯＤの発生を予測しない。また、定電流駆動モードでは、熱暴走による素子の故障は起こりにくい。従って、定電流モードでは予測条件４及び５によって高い精度でＣＯＤの発生を予測することができる。

なお、本実施例においては光源装置２０が波長変換装置２２及びレンズ２３を有する場合について説明したが、光源装置２０は波長変換装置２２及びレンズ２３を有する場合に限定されない。光源装置２０はレーザ光源２１を有していればよい。例えば、光源装置２０は波長変換装置２２を有さず、レーザ光源２１及びレンズ２３から構成されていてもよい。この場合、レンズ２３はレーザ光Ｌ１を外部に出力すればよい。また、制御回路４０の光出力監視回路４１は、監視対象の光として、レーザ光源２１からのレーザ光Ｌ１を監視すればよい。

このように、本実施例においては、光源システム１０は、独立して駆動可能な複数の半導体レーザ素子ＬＥ１及びＬＥ２を含むレーザ光源２１と、複数の半導体レーザ素子ＬＥ１及びＬＥ２のうちのいずれか１つのレーザ素子を駆動対象素子として駆動する駆動回路３０と、駆動回路３０による駆動対象素子の駆動電流ＤＣ又は駆動対象素子からの出力光ＬＯの経時変化に基づいて駆動対象素子の光学損傷を予測し、当該予測に基づいて駆動回路３０に対して駆動対象素子の切替制御を行う制御回路４０と、を有する。

制御回路４０の故障予測回路４３は、駆動電流ＤＣ及び出力光ＬＯの経時変化から、駆動対象素子にＣＯＤが発生する前にその予兆を判別する。従って、ＣＯＤが実際に発生する前に、すなわち駆動中のレーザ素子が故障を起こす前に他の素子に駆動対象を切り替えることが可能となる。従って、例えば、突然の照明の消灯などを防ぐことが可能となる。

例えば、光源システム１０を車両用灯具（例えばヘッドランプ）に用いる場合、レーザ光源２１の突然の消灯は、交通事故に直結することが予想される。従って、光源システム１０が複数のレーザ素子ＬＥ１及びＬＥ２を有すること、また、故障予測回路４３によってＣＯＤの予測を行い、駆動対象の素子をＣＯＤの発生前に切り替えることで、安全な車両の走行を提供することができる。従って、光源システム１０を用いて車両用灯具を構成することが好ましい。

なお、本実施例のように、レーザ素子ＬＥ１及びＬＥ２を互いに光学的に結合して並置する場合、駆動されていないレーザ素子（駆動対象素子がレーザ素子ＬＥ１の場合はレーザ素子ＬＥ２）を出力光監視回路４１の受光素子として使用することができる。具体的には、レーザ素子ＬＥ１を駆動する場合、レーザ素子ＬＥ１からの出力光ＬＯの一部がレーザ素子ＬＥ１に伝搬する。従って、レーザ素子ＬＥ２のｐ電極５５Ｂ及びｎ電極５６間の電流を検出（監視）することで、レーザ素子ＬＥ２を出力光監視回路４１の光検出器として機能させることができる。

換言すれば、本実施例においては、出力光監視回路４１は、レーザ光源２１内の複数のレーザ素子ＬＥ１及びＬＥ２のうちの駆動されていないレーザ素子を受光素子として使用して出力光ＬＯを監視する。これによって、例えば、出力光監視回路４１用に光検出器を設ける必要がなく、システム構成が単純化及び小型化される。

図５は、実施例１の変形例に係る光源システムにおける光源装置２０Ａのレーザ光源２１Ａの模式的な斜視図である。レーザ光源２１Ａは、レーザ光源２１と同様に、互いに光学的に結合されかつ並置された複数のレーザ素子ＬＥ１及びＬＥ２を有するが、その詳細な構成がレーザ光源２１とは異なる。まず、レーザ光源２１では、レーザ素子ＬＥ１及びＬＥ２に共通の半導体構造層５２を有する場合について説明したが、レーザ光源２１Ａはレーザ素子ＬＥ１及びＬＥ２で別々の半導体構造層６２及び７２を有する。すなわち、レーザ光源２１Ａは、レーザ素子ＬＥ１及びＬＥ２の各々に対応し、互いに対向する端面によって共振器を構成する複数の半導体構造層６２及び７２を有する。

また、レーザ光源２１Ａは、レーザ素子ＬＥ１及びＬＥ２の各々に対応し、それぞれ半導体構造層６２及び７２の各々の上面に形成されて対向する端面間にストライプ状に延びるリッジ部６４及び７４を有する。また、半導体構造層６２及び７２の各々のリッジ部６４及び７４は、隣接するリッジ部との間の間隔が１４０μｍ以下となるように配置されている。

より詳細には、レーザ光源２１Ａは、搭載基板６１上に、レーザ素子ＬＥ１として、半導体構造層６２（ｎ型半導体層６２Ａ、発光層６２Ｂ及びｐ型半導体層６２Ｃ）、絶縁層６３、リッジ部６４、ｐ電極６５及びｎ電極６６が実装されている。本変形例においては、レーザ素子ＬＥ１上に、接合層６７を介してレーザ素子ＬＥ２が形成されている。

具体的には、レーザ素子ＬＥ１上には、ｐ型半導体層６２Ｃ、リッジ部６４及びｐ電極６５の上面を覆うように接合層６７が形成されている。接合層６７上には、レーザ素子ＬＥ２として、絶縁層７３、ｐ電極７５、リッジ部７４を含む半導体構造層７２（ｐ型半導体層７２Ｃ、発光層７２Ｂ及びｎ型半導体層７２Ａ）、ｎ電極７６が形成されている。

レーザ素子ＬＥ１の半導体構造層６２は、互いに対向する端面ＥＳ１１及びＥＳ１２によって当該端面間を共振器長方向ＲＤとする共振器を構成する。同様に、レーザ素子ＬＥ２の半導体構造層７２は、互いに対向する端面ＥＳ２１及びＥＳ２２によって当該端面間を共振器長方向ＲＤとする共振器を構成する。

本変形例においては、レーザ光源２１Ａは、リッジ部６４及び７４が絶縁層７３を挟んで互い違いに配置されるように半導体構造層６２及び７２が接合された構造を有する。従って、レーザ素子ＬＥ１及びＬＥ２の光出射部間の間隔を小さく（例えば１４０μｍ以下）することができ、いずれのレーザ素子を駆動した場合でも１つのレンズ２３で所望の形状の成形光Ｌ３（取り出し光）を生成することができる。

上記したように、複数の半導体レーザ素子ＬＥ１及びＬＥ２を含むレーザ光源２１又は２１Ａにおいて、駆動回路３０は、半導体レーザ素子ＬＥ１及びＬＥ２のいずれかを駆動対象として駆動する。また、故障予測回路４３は、駆動対象の素子の駆動モードに応じて、駆動対象素子の光出力ＬＯの経時変化又は駆動対象素子の駆動電流ＤＣの経時変化を計測し、駆動対象素子の光学損傷を予測する。また、故障予測回路４３によって駆動対象素子の光学損傷の発生が予測された場合、駆動回路３０は、レーザ光源２１又は２１Ａ内の複数のレーザ素子ＬＥ１及びＬＥ２のうちの駆動されていない他のレーザ素子を駆動対象として駆動する。従って、駆動対象の素子のＣＯＤが発生する前に駆動対象を他の素子に切替えることができ、信頼性の高い光源システムを提供することができる。

１０ 光源システム
２０ 光源装置
２１、２１Ａ レーザ光源
ＬＥ１、ＬＥ２ 半導体レーザ素子
３０ 駆動回路
４３ 故障予測回路
４４ 駆動制御回路

Claims (15)

1. 複数の半導体レーザ素子を含むレーザ光源を有する光源装置と、
   前記複数の半導体レーザ素子のうちの１の半導体レーザ素子を駆動対象とし、前記１の半導体レーザ素子を、一定の光出力に保つ定出力駆動モードで駆動する駆動回路と、
   前記駆動回路による前記１の半導体レーザ素子の駆動電流Ｉ_opの経時変化Ｉ_op（ｔ）について、前記１の半導体レーザ素子の駆動開始時の駆動電流値をＩ_c、定数をｋ、時間をｔ、指数をαとして、
   

   

   に示す式に従って経時変化したと判定し、前記式（１）の指数αが、α＞１であり、かつｄα／ｄｔ＞０を満たす変化状態が所定時間続いた場合に、前記１の半導体レーザ素子における光学損傷の発生を予測する故障予測回路と、を有し、
   前記故障予測回路によって前記１の半導体レーザ素子の光学損傷の発生が予測された場合、前記駆動回路は、前記複数の半導体レーザ素子のうちの他の半導体レーザ素子を駆動対象とすることを特徴とする光源システム。
2. 前記故障予測回路は、前記１の半導体レーザ素子の駆動電流値が所定の電流値未満である場合に、前記１の半導体レーザ素子における光学損傷の発生の予測を確定することを特徴とする請求項１又は２に記載の光源システム。
3. 前記複数の半導体レーザ素子は、互いに光学的に結合されかつ並置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光源システム。
4. 前記レーザ光源は、
   前記複数の半導体レーザ素子に共通であり互いに対向する端面によって共振器を構成する半導体構造層と、
   前記複数の半導体レーザ素子の各々に対応し、前記半導体構造層の上面に形成されて前記対向する端面間にストライプ状に延びる複数のリッジ部と、を有し、
   前記複数のリッジ部の隣接するリッジ部間の間隔は１４０μｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載の光源システム。
5. 前記レーザ光源は、
   前記複数の半導体レーザ素子の各々に対応し、互いに対向する端面によって共振器を構成する複数の半導体構造層と、
   前記複数の前記半導体レーザ素子の各々に対応し、前記複数の前記半導体構造層の各々の上面に形成されて前記対向する端面間にストライプ状に延びるリッジ部と、を有し、
   前記複数の前記半導体構造層の各々の前記リッジ部は、隣接するリッジ部との間の間隔が１４０μｍ以下となるように配置されていることを特徴とする請求項３に記載の光源システム。
6. 前記故障予測回路によって前記１の半導体レーザ素子の光学損傷の発生が予測されたことを外部に通知する通知回路を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の光源システム。
7. 請求項１乃至６のいずれか１つに記載の光源システムを含む車両用灯具であって、
   前記光源装置は、前記レーザ光源からのレーザ光を外部に出力するレンズと、を有することを特徴とする車両用灯具。
8. 複数の半導体レーザ素子を含むレーザ光源を有する光源装置と、
   前記複数の半導体レーザ素子のうちの１の半導体レーザ素子を駆動対象とし、前記１の半導体レーザ素子を、一定の駆動電流に保つ定電流駆動モードで駆動する駆動回路と、
   前記１の半導体レーザ素子の光出力Ｐ_outの経時変化Ｐ_out（ｔ）について、前記１の半導体レーザ素子の駆動開始時の光出力をＰ₀、定数をｋ、時間をｔ、指数をαとして、
   

   

   に示す式に従って経時変化したと判定し、前記式（２）の指数αが、α＞１であり、かつｄα／ｄｔ＞０を満たす変化状態が所定時間続いた場合に、前記１の半導体レーザ素子における光学損傷の発生を予測する故障予測回路と、を有し、
   前記故障予測回路によって前記１の半導体レーザ素子の光学損傷の発生が予測された場合、前記駆動回路は、前記複数の半導体レーザ素子のうちの他の半導体レーザ素子を駆動対象とすることを特徴とする光源システム。
9. 前記複数の半導体レーザ素子は、互いに光学的に結合されかつ並置されていることを特徴とする請求項８に記載の光源システム。
10. 前記１の半導体レーザ素子からの出力光を監視する出力光監視回路を有し、
    前記出力光監視回路は、前記複数の半導体レーザ素子のうちの駆動されていない半導体レーザ素子を受光素子として使用して前記出力光を監視することを特徴とする請求項９に記載の光源システム。
11. 前記レーザ光源は、
    前記複数の半導体レーザ素子に共通であり互いに対向する端面によって共振器を構成する半導体構造層と、
    前記複数の半導体レーザ素子の各々に対応し、前記半導体構造層の上面に形成されて前記対向する端面間にストライプ状に延びる複数のリッジ部と、を有し、
    前記複数のリッジ部の隣接するリッジ部間の間隔は１４０μｍ以下であることを特徴とする請求項９又は１０に記載の光源システム。
12. 前記レーザ光源は、
    前記複数の半導体レーザ素子の各々に対応し、互いに対向する端面によって共振器を構成する複数の半導体構造層と、
    前記複数の前記半導体レーザ素子の各々に対応し、前記複数の前記半導体構造層の各々の上面に形成されて前記対向する端面間にストライプ状に延びるリッジ部と、を有し、
    前記複数の前記半導体構造層の各々の前記リッジ部は、隣接するリッジ部との間の間隔が１４０μｍ以下となるように配置されていることを特徴とする請求項９又は１０に記載の光源システム。
13. 請求項８乃至１２のいずれか１つに記載の光源システムを含む車両用灯具であって、
    前記光源装置は、前記レーザ光源からのレーザ光を外部に出力するレンズを有することを特徴とする車両用灯具。
14. 互いに光学的に結合されかつ並置された複数の半導体レーザ素子を含むレーザ光源と、前記レーザ光源からのレーザ光の波長を変換する波長変換装置と、を有する光源装置と、
    前記複数の半導体レーザ素子のうちの１の半導体レーザ素子を駆動対象とし、前記１の半導体レーザ素子を、一定の駆動電流に保つ定電流駆動モードで駆動する駆動回路と、
    前記１の半導体レーザ素子又は前記波長変換装置の光出力Ｐ_outの経時変化Ｐ_out（ｔ）について、前記１の半導体レーザ素子又は前記波長変換装置の駆動開始時の光出力をＰ₀、定数をｋ、時間をｔ、指数をαとして、
    

    

    に示す式に従って経時変化したと判定し、前記数式（２）の指数αが、α＞１であり、かつｄα／ｄｔ＞０を満たす変化状態が所定時間続いた場合に、前記１の半導体レーザ素子における光学損傷の発生を予測する故障予測回路と、を有し、
    前記故障予測回路によって前記１の半導体レーザ素子の光学損傷の発生が予測された場合、前記駆動回路は、前記複数の半導体レーザ素子のうちの他の半導体レーザ素子を駆動対象とすることを特徴とする光源システム。
15. 請求項１４に記載の光源システムを含む車両用灯具であって、
    前記光源装置は、前記波長変換装置からの波長変換光を外部に出力するレンズを有することを特徴とする車両用灯具。

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